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胶凝材料组成与钢筋混凝土氯离子腐蚀研究

黎鹏平

   海洋环境下钢筋混凝土的抗氯离子腐蚀包括了混凝土内的氯离子扩散系数,及引起钢筋锈蚀的氯离子临界浓度两个关键参数。本研究采用SO_3/Al_2O_3不同的水泥,并以粉煤灰和矿渣为矿物掺合料,利用X射线衍射、扫描电镜、能谱分析、水化热测试、氯离子渗透试验、热重分析、压汞法、Zeta电位法、半电池电位、线性极化法以及交流阻抗谱法等方法,研究了不同的胶凝材料组成对钢筋混凝土抗氯离子腐蚀能力的影响,研究结果表明: 在相同水胶比、相同混凝土配合比以及相同水泥品种的条件下,华南地区混凝土构件内相同深度处的氯离子浓度最高,而华北地区构件内的氯离子浓度最低,是由于华南地区的年平均气温以及海水中的氯离子浓度最高,华北地区最低。 根据硅酸盐水泥中Al_2O_3含量调整合适的SO_3/Al_2O_3比,可提高其氯离子临界浓度。当SO_3/Al_2O_3摩尔比<1时,钢筋锈蚀的氯离子临界浓度随水泥中SO_3/Al_2O_3摩尔比提高先增大后减少。当硅酸盐水泥中Al_2O_3含量较低时,应控制较大的SO_3/Al_2O_3摩尔比。如Al_2O_3含量为4.43%,可控制SO_3/Al_2O_3为0.93,使氯离子临界浓度达较高值;Al_2O_3含量为5.31%,控制SO_3/Al_2O_3为0.77,氯离子临界浓度也可达较高值。对氯离子临界浓度的影响实质上是砂浆孔隙结构对氯离子临界浓度的影响,平均孔径最低时试件的氯离子临界浓度最高。 模拟海水溶液中,试件氯离子临界浓度随水泥中SO_3/ Al_2O_3比提高也是先增加后减少。由于硫酸根离子渗透会在水泥石内生成新的水化硫铝酸钙,使其最高氯离子临界浓度的试件与NaCl溶液中试件的SO_3/ Al_2O_3比有所降低,SO_3/ Al_2O_3比从0.93降为0.87。在实际海洋环境下,还需同时考虑硫酸盐和氯离子复合作用的影响。所以,用于海工混凝土的水泥与只有氯离子腐蚀条件相比,其SO_3/ Al_2O_3最佳比值需适当降低。 掺合料取代部分硅酸盐水泥改善了混凝土孔隙率和平均孔径,混凝土的孔隙率和平均孔径均随粉煤灰和矿渣的掺量提高先减少后增大。单掺粉煤灰时,粉煤灰掺量为30%的试件的孔隙率和平均孔径最低;单掺矿渣时,矿渣掺量为50%的试件的孔隙率和平均孔径最低。 钢筋混凝土的抗氯离子腐蚀能力随粉煤灰掺量的提高而先提高后降低,单掺粉煤灰掺量为30%的试件内钢筋钝化膜出现破坏的时间最长;钢筋混凝土的抗氯离子腐蚀能力也随矿渣含量的提高而先提高后降低,单掺矿渣掺量为50%的试件内钢筋钝化膜出现破坏的时间最长。掺合料取代部分硅酸盐水泥后,一方面使混凝土更为致密,降低了钢筋周围的溶解氧含量,并增大了钢筋表面的电荷转移电阻,提高了钢筋钝化膜的稳定性。另一方面会降低混凝土内的Ca(OH)_2含量,引起钢筋锈蚀的氯离子浓度的下降。而前者是主要影响因素。 粉煤灰和矿渣复掺取代部分水泥,28天龄期时在复掺总量为50%的条件下,混凝土试件的氯离子扩散系数随掺合料中粉煤灰含量的提高而先减少后增大,粉煤灰含量为10%的试件的氯离子扩散系数最低,掺合料对氯离子扩散系数的影响主要是复合胶凝材料体系有效地降低混凝土孔隙率和平均孔径,从而降低了氯离子扩散系数。 掺合料取代部分水泥提高了胶凝材料体系对氯离子的吸附能力,其本质是提高了胶凝材料体系的Zeta电位,而水化产物对氯离子的吸附量随Zeta电位的升高而增大。 根据硅酸盐水泥中Al_2O_3含量调整合适的SO_3/Al_2O_3,较低Al_2O_3含量可选用较高的SO_3/Al_2O_3,同时复掺适量的粉煤灰和矿渣粉,可有效地降低混凝土平均孔径和钢筋/混凝土界面的溶解氧含量,提高水化产物对氯离子的吸附能力,提高混凝土电阻率和钢筋表面的电荷转移电阻,增强钢筋钝化膜的稳定性,延长钢筋钝化膜破坏的时间。合理地选用胶凝材料既可降低混凝土的氯离子扩散系数,又可提高引起钢筋锈蚀的氯离子临界浓度,从而提高钢筋混凝土的综合抗氯离子腐蚀能力。 选择水泥中合适的SO_3/Al_2O_3,并合理地使用粉煤灰和矿渣等矿物掺合料,不仅可以提高钢筋混凝土的抗氯离子腐蚀能力,提高结构的使用寿命,还可以利用粉煤灰和矿渣等工业副产物,提高资源的使用效率,减少环境负荷。具有较大的社会效益和经济效益。……   
[关键词]:钢筋混凝土;矿物掺合料;SO_3/Al_2O_3比;氯离子临界浓度;氯离子扩散系数;电荷转移电阻
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:华南理工大学2010年